Multi Fuel Conversion - MFC

Klärschlamm wird in der Regel nicht als wertvoller Rohstoff sondern eher als problematischer Reststoff oder Müll angesehen. Die bisher üblichen Entsorgungswege liefen über die Landwirtschaft und die thermische Verwertung in Kraftwerken oder in sogenannten Mono-Verbrennungsanlagen, die ausschließlich Klärschlamm als Brennstoff nutzen. Schaut man jedoch genauer auf die Bestandteile von Klärschlamm, so erkennt man, dass er wertvolle Rohstoffe enthält. Neben Kohlenstoff, der in fast allen Gegenständen des täglichen Lebens enthalten ist, enthält Klärschlamm auch signifikante Anteile Phosphor – im getrockneten Zustand bis zu 5 Gew.-%.

Phosphor ist essentiell für den Zellstoffwechsel und daher ein unverzichtbarer Grundstoff für alles Leben. Er gelangt über die menschliche Nahrungskette in den Klärschlamm. Die natürlichen Phosphorvorkommen sind endlich und enthalten zunehmend schädliche Spurstoffe. Phosphor beziehungsweise Phosphaterz wird daher von der EU-Kommission als kritischer Rohstoff angesehen und das Recycling von Phosphor aus Klärschlamm soll in Zukunft stark ausgebaut werden. Mit der Ende 2017 novellierten Klärschlammverordnung sind die deutschen Kläranlagenbetreiber -abhängig von der Kläranlagengröße – ab 2029 beziehungsweise 2032 dazu verpflichtet, den im Klärschlamm enthaltenen Phosphor zu mindestens 50% zu recyceln. Um diese Verordnung technisch umsetzen zu können, sind intelligente Verfahren erforderlich, die neben dem Recycling von Phosphor als weiteren Bonus auch die effiziente Nutzung des Energie- und Kohlenstoffträgers Klärschlamm im Fokus haben.

Hier bietet die Konversion von Klärschlamm bei hoher Temperatur, also die Verbrennung unter Sauerstoffmangel oder auch Vergasung, interessante Optionen. Phosphor liegt im Klärschlamm als Phosphat vor, d.h. in Verbindung mit Sauerstoff. Dieser Sauerstoff kann bei hoher Temperatur, Sauerstoffmangel und Anwesenheit eines Reduktionsmittels wie beispielsweise Kohlenstoff wieder komplett oder teilweise abgespalten werden, so dass reiner Phosphor oder Phosphorsuboxide  entstehen. Diese können dann abgetrennt und zur Herstellung von z.B. Phosphorsäure und letztlich Düngemitteln genutzt werden. Hohe Temperaturen und ein Mangel an Sauerstoff liegen im Vergasungsprozess vor. Als Reduktionsmittel dient der Kohlenstoff im Klärschlamm, der gegebenenfalls durch weiteren Kohlenstoff ergänzt werden muss, z.B. aus Biomasse oder vorbehandelten Reststoffen wie Haushaltsmüll.

Die Vergasung bietet also die technische Grundlage für die Mobilisierung des Phosphors aus dem Klärschlamm und ist darüber hinaus ein wichtiger Baustein für den Aufbau von Kohlenstoffkreisläufen. Als Produkt entsteht ein Gasgemisch, das vor allem Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂), Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und Phosphor (P bzw. P_xO_y) enthält. Aus diesem Gas kann der Phosphor z.B. mit einem Waschverfahren auf Wasserbasis abgetrennt werden. Das restliche Gas wird weiter gereinigt, bis ein Synthesegas (CO + H₂) entsteht, dass zur Herstellung von Energieträgern, Kraftstoffen oder wichtigen Grundstoffen für die chemische Industrie eingesetzt werden kann.

Die Vorteile der Hochtemperatur-Konversion im Gegensatz zu anderen Entsorgungswegen sind vielfältig. Die thermische Behandlung des Klärschlamms sowie Phosphor- und Kohlenstoffrecycling können in einem Prozessschritt erfolgen. Problematische Spurstoffe wie z.B. Medikamentenrückstände, Schwermetalle oder Mikroplastik, die bei der Entsorgung von Klärschlamm im Bereich der Landwirtschaft zu Problemen führen, werden hierbei sicher zerstört bzw. ausgehalten.

Um diesen Weg zum Recycling von Wertstoffen aus dem Klärschlamm realisieren zu können, ist signifikanter Forschungs- und Entwicklungsbedarf notwendig.

Zunächst ist zu klären, wie der feste Brennstoff - ein Gemisch aus Klärschlamm und einem Kohlenstoffträger - in den Reaktor eingetragen werden kann. Grundsätzlich existieren hierzu geeignete Verfahren, die jedoch auf die Eignung für die in diesem Projekt eingesetzten Brennstoffgemische qualifiziert und getestet werden müssen. Darüber hinaus müssen die notwendigen Betriebsparameter in der Kernkomponente der Verfahrenskette, der Vergasung, experimentell bestimmt werden. Nur so kann der Phosphor effizient mobilisiert werden. Zu guter Letzt sind geeignete Verfahren und Verfahrensbedingungen für die Gewinnung von Phosphor aus dem Produktgas zu entwickeln.

Weiterer Partner im Projekt ist die Ruhr-Universität Bochum.

Der Lehrstuhl Carbon Sources and Conversion der Ruhr-Universität Bochum unterstützt die Forschung bei RWE mit detaillierten Untersuchungen zu den notwendigen Konversionsbedingungen bei der Freisetzung von Phosphor aus Klärschlamm.